Feeding Experimentation Device (FED): Bouw en Validatie van een open-source-apparaat voor het meten van voedselinname bij knaagdieren
Summary
Feeding Experimentation Device (FED) is an open-source device for measuring food intake in mice. FED can also synchronize food intake measurements with other techniques via a real-time digital output. Here, we provide a step-by-step tutorial for the construction, validation, and usage of FED.
Abstract
Food intake measurements are essential for many research studies. Here, we provide a detailed description of a novel solution for measuring food intake in mice: the Feeding Experimentation Device (FED). FED is an open-source system that was designed to facilitate flexibility in food intake studies. Due to its compact and battery powered design, FED can be placed within standard home cages or other experimental equipment. Food intake measurements can also be synchronized with other equipment in real-time via FED’s transistor-transistor logic (TTL) digital output, or in post-acquisition processing as FED timestamps every event with a real-time clock. When in use, a food pellet sits within FED’s food well where it is monitored via an infrared beam. When the pellet is removed by the mouse, FED logs the timestamp onto its internal secure digital (SD) card and dispenses another pellet. FED can run for up to 5 days before it is necessary to charge the battery and refill the pellet hopper, minimizing human interference in data collection. Assembly of FED requires minimal engineering background, and off-the-shelf materials and electronics were prioritized in its construction. We also provide scripts for analysis of food intake and meal patterns. Finally, FED is open-source and all design and construction files are online, to facilitate modifications and improvements by other researchers.
Introduction
Met de opkomst van de wereldwijde obesitas over de tweede helft van de 20e eeuw, is er hernieuwde aandacht op de mechanismen die ten grondslag liggen aan het voeden van 1, 2, 3, 4. Typisch wordt voedselinname handmatig gewogen 5 of met commercieel verkrijgbare voersystemen. Commerciële systemen zijn uitstekend, maar bieden beperkte flexibiliteit in het wijzigen van hun ontwerpen of code. Hier beschrijven we de Feeding Experimentation Device (FED): een open-source voersysteem voor het meten van de voedselinname met fijne tijdsresolutie en minimale menselijke tussenkomst 6. FED is op batterijen en volledig opgenomen in een 3D geprint koffer die passen binnen standaard kolonie rack kooien of andere wetenschappelijke apparatuur.
In de stationaire toestand, FED opereert in een low-power mode met een voedsel pellet rusten in de food goed. De aanwezigheid van de pellet wordt via een infraroodstraal. Wanneer een muis een pellet verwijdert, een foto-onderbreker sensor stuurt een signaal naar de microcontroller en de tijd-stempel is aangemeld op de onboard Secure Digital (SD) kaart. Tegelijkertijd, een transistor-transistor logica (TTL) uitgang biedt een real-time productie van pellets retrieval. Onmiddellijk na deze gebeurtenis, de motor draait op een andere pellet af te geven, en het systeem keert terug naar de low power mode. Door zijn open-source karakter, kan FED worden aangepast en verbeterd om specifiek onderzoek behoeften. Bijvoorbeeld kan de code eenvoudig veranderd om voeding te beperken tot bepaalde tijden van de dag of stoppen afgeven wanneer verschillende pellets bereikt worden, zonder menselijke tussenkomst.
Hier, schetsen we de stap-voor-stap instructies voor de bouw, de validatie, en het gebruik van de FED voor het meten van voedselinname bij muizen. Wij bieden een overzicht van alle componenten om een systeem te bouwen. Belangrijk is dat geen voorafgaande exvaring in de elektronica nodig te bouwen FED.
Protocol
Representative Results
Discussion
De Feeding Experimentation Device (FED) is een flexibele voedselinname bewakingssysteem. We beschrijven hier gedetailleerde instructies voor het vervaardigen en oplossen van problemen met het apparaat, met inbegrip van de assemblage van 3D geprint hardware, solderen van elektrische onderdelen, en het uploaden van sketches op de microcontrollers. Hoewel het belangrijk om alle stappen in het protocol nauwgezet te volgen, zijn er kritische stappen die extra aandacht verdienen in elke sectie tot een goed einde product. De 3…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Intramurale Research Program van de National Institutes of Health (NIH), het National Institute of Diabetes en spijsvertering en Kidney Diseases (NIDDK). Wij danken de NIH Sectie op Instrumentatie en de NIH bibliotheek voor hulp bij het 3D-printen.
Materials
| Electronics | |||
| Adafruit Motor/Stepper/Servo Shield for Arduino v2 Kit – v2.3 | Adafruit | 1438 | Use of other motor shields has not been tested and will require changes to the code |
| Adafruit Assembled Data Logging shield for Arduino | Adafruit | 1141 | Use of other data logging shields has not been tested and will require changes to the code |
| PowerBoost 500 Charger | Adafruit | 1944 | Other voltge regulator boards have not been tested, but should work if they have similar specifications |
| FTDI Friend + extras – v1.0 | Adafruit | 284 | Any FTDI-USB connection will work |
| Small Reduction Stepper Motor – 5VDC 32-Step 1/16 Gearing | Adafruit | 858 | Use of other stepper motors has not been tested |
| Arduino Pro 328 – 5V/16MHz | SparkFun | DEV-10915 | Other Arduino boards should work, although may require changes to the code |
| Photo Interrupter – GP1A57HRJ00F | SparkFun | SEN-09299 | Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design |
| SparkFun Photo Interrupter Breakout Board – GP1A57HRJ00F | SparkFun | BOB-09322 | Other photointerrupters will work, but may require changes to the 3D design |
| Connectors, screws, and miscellaneous items | |||
| Shield stacking headers for Arduino (R3 Compatible) | Adafruit | 85 | Any stacking header that says Arduiono R3 compatible will work |
| Multi-Colored Heat Shrink Pack – 3/32" + 1/8" + 3/16" | Adafruit | 1649 | Any heatshrink will work |
| Hook-up Wire Spool Set – 22AWG Solid Core – 6x25ft | Adafruit | 1311 | Any wire will work |
| Lithium Ion Battery Pack – 3.7V 4400mAh | Adafruit | 354 | Any 3.7V Lithium battery with a JST connector will work |
| SD/MicroSD Memory Card (8GB SDHC) | Adafruit | 1294 | Any SD card will work |
| 50 Ohm BNC Bulkhead Jack (3/8" D-Hole) | L-com | BAC70A | Any BNC bulkhead will work |
| Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 6 size, 1/4" Length | McMaster-Carr | 90184A120 | Any screws of this specification will work |
| Type 316 Stainless Steel Pan Head Phillips Sheet metal screw, No 2 size, 1/4" Length | McMaster-Carr | 91735A102 | Any screws of this specification will work |
| Nylon 100 Degree Flat Head Slotted Machine Screw, 4-40 Thread, 1" Length | McMaster-Carr | 90241A253 | Any screws of this specification will work |
| Nylon Hex Nut, 4-40 Thread Size | McMaster-Carr | 94812A200 | Any nut of this specification will work |
| 2Pin JST M F Connector 200mm 22AWG Wire Cable | NewEgg | 9SIA27C3FY2876 | Any 2 pin connector will work for this connection |
| Metal Pushbutton – Latching (16mm, Red) | SparkFun | COM-11971 | Any push button or switch will work |
| Resistor Kit – 1/4W | SparkFun | COM-10969 | Any 1/4W resistors will work |
References
- Ellacott, K. L., Morton, G. J., Woods, S. C., Tso, P., Schwartz, M. W. Assessment of feeding behavior in laboratory mice. Cell Metab. 12 (1), 10-17 (2010).
- Betley, J. N., et al. Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature. 521 (7551), 180-185 (2015).
- van den Heuvel, J. K., et al. Neuropeptide Y activity in the nucleus accumbens modulates feeding behavior and neuronal activity. Biol Psychiatry. 77 (7), 633-641 (2015).
- Cone, J. J., Roitman, J. D., Roitman, M. F. Ghrelin regulates phasic dopamine and nucleus accumbens signaling evoked by food-predictive stimuli. J Neurochem. 133 (6), 844-856 (2015).
- Ulman, E. A., Compton, D., Kochanek, J. Measuring food and water intake in rats and mice. ALN Mag. , 17-20 (2008).
- Nguyen, K. P., O’Neal, T. J., Bolonduro, O. A., White, E., Kravitz, A. V. Feeding Experimentation Device (FED): A flexible open-source device for measuring feeding behavior. J Neurosci Methods. 267, 108-114 (2016).
- Aguiar, P., Mendonca, L., Galhardo, V. OpenControl: a free opensource software for video tracking and automated control of behavioral mazes. J Neurosci Methods. 166 (1), 66-72 (2007).
- Devarakonda, K., Nguyen, K. P., Kravitz, A. V. ROBucket: A low cost operant chamber based on the Arduino microcontroller. Behav Res Methods. 48 (2), 503-509 (2016).
- Hoffman, A. M., Song, J., Tuttle, E. M. ELOPTA: a novel microcontroller-based operant device. Behav Res Methods. 39 (4), 776-782 (2007).
- Crall, J. D., Gravish, N., Mountcastle, A. M., Combes, S. A. BEEtag: A Low-Cost, Image-Based Tracking System for the Study of Animal Behavior and Locomotion. PLoS One. 10 (9), (2015).
